高速又节能的光子存储器

朱崇恺

 全光学磁开关，数据写入由外界施加的（红色）激光脉冲实现

光是最节能的信息传递方式。然而，它有一个很大的局限：光子很难被存储。事实上，目前的数据中心主要依靠磁性硬盘驱动器。在数字计算机中，数据以“位”的形式存储在磁盘中，磁盘上布满了具有南北极的微小磁极。這些磁极的方向确定了这一“位”包含的数字是向下（0）还是向上（1）。写入数据是通过磁头“切换”相应的磁化方向来实现的。传统上，由磁头施加外部磁场时，小磁极的方向会被同化，从而将信息永久地保留在磁盘上。这种切换也能够通过一种被称为全光开关的短激光脉冲来完成。数据存储所用的全光开关已有差不多十年的历史了，当全光开关首次在铁磁性材料（磁存储器件最有前景的材料之一）中被观察到时，该研究领域得到了极大的发展。但是在这些材料中切换磁化方向需要多个激光脉冲，从而导致数据写入时间很长。

问题是，对于磁盘来说，其读写速度有限，使用数据时又需要先将其读入内存。随着数据容量的增加，存储信息所需的能量也正呈爆炸式增长。因此，荷兰埃因霍芬理工大学光子集成研究所的研究人员开发出一种同时利用光子和磁极优势的“混合技术”。

在雷诺德·拉夫里杰森（Reinoud Lavrijsen）和伯特·库普曼（Bert Koopmans）两位教授的指导下，埃因霍芬理工大学应用物理专业博士生马克·拉利乌（Mark Lalieu）对亚铁磁体—一种非常适合应用于自旋电子学的材料—的全光学极化进行了深入研究。最终的效果如何呢？马克表示：“现在我们只需使用单个激光脉冲就可以完成磁化方向的光切换，所需的时间大约为1皮秒，比现有磁技术快100～1000倍。此外，发出激光脉冲所需的电能比传统磁头要低得多，如果未来计算机实现了光子集成电路的话，所需的转换成本还可以进一步降低，因此它有着巨大的潜力。”

伯特补充道：“最终我们实现的磁道结构好比信息在轨道上飞行，数据在光子和磁性赛道之间复制信息，没有任何的中间电子步骤，就像是从一辆移动的高速列车跳到铁轨上。显而易见，这种方式将大大提高写入速度并降低能耗。”